基于FLAC3D的桩锚支护结构变形分析

黄志全，张瑞旗，王安明

(华北水利水电大学资源与环境学院，河南郑州450045)

随着城市化建设的高速发展，高层建筑密集化，基坑工程往往受到场地条件的限制，没有充足的空间进行放坡，而且周围环境复杂，地下管线密集，基坑变形监测[1－2]在基坑支护工程中凸显出其重要性。为了支护系统稳定性、合理性和经济性达到最优化配合，设计出了多种新型的支护形式，例如预应力锚杆柔性支护技术[3]、地下连续墙结构[4]、土钉与预应力锚索复合支护结构[5]等。近几年，土钉与预应力锚索复合支护结构凭借其良好的性能在郑州地区得到了广泛的推广和应用。但是，复合支护结构与土体相互作用机理仍不完善，很难通过解析方法计算基坑支护结构的变形及对周围环境的影响，不利于支护系统的设计，甚至有可能出现工程事故[6]。随着计算机技术的发展，各种先进的研究理论和数值软件运用到基坑工程中，例如ANSYS[7]、ADINA[8]和 FLAC[9]等，对基坑开挖和支护具有指导意义。本文以郑州某深基坑工程为背景，根据监测数据分析支护结构的变形规律，运用FLAC3D有限差分软件对基坑开挖及支护进行模拟研究，并针对不同基坑支护设计下基坑稳定性分析展开研究。

1 工程概况及支护设计

1.1 工程概况

拟建项目紧邻郑州市某城市道路，工程地面以上为广场，地下为2层车库，框架结构，基坑长123.0 m、宽86.5 m、坑深 11.0 m，采用天然地基梁筏基础。

工程周边环境相对复杂，东侧临城市道路，基坑底边线距离外墙16.0 m，墙外3.3 m为管线埋深1.0 m;南部紧邻的主楼13层，大楼基础基底为8.5 m，基础型式为钻孔灌注桩基础;西侧为一楼盘售楼部，基坑底边线距离外墙22.0 m，外墙距离售楼部16.0 m;北侧基坑底边线紧邻城市干道，距离人行道南路 8.1 m，距离电缆线 12.0 m，埋深 2.5 m，距离快车道污水管道17.0 m，埋深2.5 m。具体周围环境布置见图1。

拟建场地地形平坦，最大高差0.62 m，地貌单元为黄河冲积平原。根据钻探揭露，场地内分布的土层主要是粉土和粉质粘土，各土层的性质指标见表1。

1.2 支护设计

根据工程概况，考虑到基坑东侧和北侧紧邻城市道路以及道路上车流量较大等周围环境因素，确定基坑北侧长边坡采用桩锚支护，支护结构剖面如图2所示，并以该支护段为重点研究对象探讨支护结构的安全稳定性情况。

2 监测方案及监测结果分析

2.1 监测方案

经现场实地调查，基坑支护的监测位置见图1，根据建筑基坑监测规范[10]，变形监测项目和测点布置见表2。基坑对锚索拉力的监测，使用锚索应力计在锚索端部进行，监测频率1次/d，底板浇筑后3 d量测一次。监测精度≤1/100Fs，报警值为80%设计轴力。

2.2 监测结果分析

深层水平位移是基坑监测的一个主要项目，也是考察支护系统安全状况的关键指标。选取基坑北侧靠近城市道路一侧的测斜孔CX2和CX3的监测数据进行分析。

CX2测斜点的深层水平位移曲线见图3。开挖初期，还未安装预应力锚索，深层水平位移与深度近似呈线性关系，随着土层的开挖，水平位移平缓地增长。2013年10月26日—2013年11月4日之间，0～3.0 m深度内，深层水平位移骤增，最大水平位移发生于桩顶，由20.1 mm增至112.55 mm，平均变化速率达到9.24 mm/d，远远超过预警值。这是由于在此期间连续降雨导致工地停工，该支护段未严格执行“边开挖边支护”的原则，加上雨水的入渗，水平位移发生剧烈变化。现场及时采取了措施，安装预应力锚索，2013年11月4日后，深层水平位移趋于稳定，且没有发生工程事故。3.0m深度以下的深层水平位移变化正常，随着基坑的开挖缓慢增长，11月24日基坑底板浇筑完成后，基坑侧向变形趋于稳定。曲线在6.0 m和8.5 m深度处有明显的收缩，在其之间形成“鼓肚”状，这是由于6.0 m和8.5 m处设置有预应力锚索，可见锚索能有效抑制支护系统水平位移的发展。

CX3测斜点深层水平位移曲线见图4。随着基坑开挖水平位移逐渐增大，变化速率也呈递增趋势，类似于悬臂支护结构的变形特性[11]。2013年11月6日之前，深层水平位移的最大值发生于桩顶，之后，最大水平位移逐渐下移，最终稳定在3.5 m深度处，即开挖深度的1/3，与文献[12]的分析一致。基坑深度3.5 m～6.0 m是第一道和第二道锚索之间，曲线基本上呈线性变化。6.0m和8.5 m间有两处明显的弯折，说明锚索发挥了限制侧向变形的作用。8.5m至测斜管底部，曲线呈线性递减。11月24日基坑底板浇筑完成后，深层水平位移曲线几乎重合，说明水平位移变化趋于稳定。

基坑的同一侧壁上，且支护型式相同，但由于支护的滞后、雨水的入渗等，CX2测点桩顶附近的水平位移远远超过预警值，而CX3测点的数据正常，可见“边开挖边支护”以及同步监测的重要性。

3 数值分析

3.1 计算模型

支护段位于基坑东西走向的长边，为了尽可能减小边界效应的影响，模型选取东西宽10 m(Y方向)，南北取60 m(X方向)，高度选取3倍基坑深度的33 m(Z方向)，计算模型如图5所示:共计17 200个单元，184 242个节点，1 513个构件。模型的边界条件是:垂直于X轴的两边界面的X方向位移约束，垂直Y方向的两边界面的Y方向位移约束，下端界面固定，上表面为自由界面。支护桩采用桩(pile)单元模拟，土钉和锚索采用锚索(cable)单元模拟，冠梁和工字钢梁采用梁(beam)单元模拟，土体单元选用Mohr－Column屈服准则。

3.2 计算方案

根据基坑施工情况模拟相应的工况如表3所示，根据工况开挖支护的模型如图6所示。

数值计算中，前三个工况对应的深层水平位移扰动不明显，重点对比分析后续的工况，即基坑开挖深度在6.5 m、9.0 m和11.0 m时深层水平位移变化情况，结果见图7。

由计算结果可知，安装第2道锚索后，最大水平位移位于2.5 m深，达到20.9 mm。基坑开挖至坑底后，最大水平位移处于5.0 m深处，达到26.3 mm，显然最大位移随着开挖有下降的趋势，曲线均呈“鼓肚”状。计算结果对应最大水平位移的位置相对略深。开挖至9.0 m和坑底时，监测值与计算值差别较大，尤其是基坑底部附近，计算值较小，监测值偏大，这是因为基坑支护受多种因素的制约，例如地下水位、施工环境以及基坑开挖的时空效应等。但总体来看，监测值和计算值曲线有较好的一致性。

4 基坑变形敏感性分析

在基坑支护结构设计中，不同支护方案对基坑的稳定性影响不同，因此有必要对不同支护结构形式下基坑变形进行敏感性分析。

4.1 锚索预应力对基坑支护结构变形的影响

为了探究锚索预应力与深层水平位移的关系，将锚索预应力分别设置为60 kN、80 kN、120 kN和140 kN，与原设计预应力100 kN对比，结果见图8。

由图8可看出，相同条件下，深层水平位移随预应力的增大而减小，且水平位移的分布规律逐渐发生变化。6.0m以上，预应力对水平位移影响较大，当预应力为60 kN时，最大水平位移是34.13 mm，预应力为100 kN时，最大水平位移为26.34 mm，当达到140 kN时，最大水平位移为23.85 mm，从60 kN到100 kN，最大水平位移减小幅度为7.79 mm，100 kN增加到140 kN，减小幅度为2.49 mm，可见预应力的增加对限制水平位移作用明显;同时，随着预应力增加，最大深层水平位移的位置出现下降趋势。6.0m以下，预应力对水平位移的影响相对较小，特别是预应力大于100 kN时，影响不明显，则预应力超过一定值后，限制深层水平位移的效果会降低。预应力为100 kN对应的水平位移已经能够满足施工的要求，原设计合理。

4.2 支护桩入土深度对基坑稳定性影响

为验证支护桩入土深度与基坑变形的关系，在原支护桩设计深度的基础上加4 m，即入土深度为8 m和16 m，对比不同设计下深层水平位移曲线见图9。随着支护桩入土深度的增加，支护系统向基坑内侧移动的趋势有所减缓，说明入土深度对支护结构的变形有一定的影响，但是从图9中对比发现，曲线差别较小，限制效果并不明显。因此，在满足基坑稳定的情形下，需确定合理的桩长，而单纯的增加支护桩入土深度以减少变形是不经济的。

5 结论

(1)对比两监测点的数据可知，基坑施工应严格执行“边开挖边支护”原则，总体看来，基坑支护设计基本上满足施工的要求。

(2)利用FLAC3D数值方法模拟基坑开挖和支护，并与监测结果进行对比，结果表明:计算结果和监测结果基本趋势大体一致，有限差分方法是合理的，可用于基坑施工的数值分析。

(3)初步研究了锚索预应力大小和支护桩入土深度的变化对支护系统稳定性的影响，结果表明:锚索预应力对限制支护系统侧向变形作用明显，但超过一定值后，效果有所衰减，支护桩入土深度影响支护系统的变形，需确定合理的桩长，单纯增加入土深度减小变形是不经济的。

(4)数值模型中没有考虑地下水，基坑周围的动荷载等因素，因此对数值模拟还需要进一步研究。

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